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刻舟求鱼之蛮力计算 (配图)

已有 5752 次阅读 2016-12-15 14:51 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦

我登出了这篇《刻舟求鱼(配图)》,通过简单的计算得出,如果我们考虑水的阻力,船上的人从船尾运动到船头,最终船会准确地回到原处。



这是一个相当有趣的结果,颠覆了一般的概念。因为我们知道,如果没有水的阻力,那么人+船系统的质心保持静止,人从船尾到船头,人动了,系统质心不动,则船应该后退。

我文中的计算非常简单,

$\Delta p = f\ \Delta t = -k \ v \Delta t = - k \Delta x$


由于人船系统初始与最终动量为零,动量变化为零,因此船的位置变化 Delta x 为零。可以说,我们几乎不费吹灰之力拿到了这个结果。

这个问题当然也可以蛮力计算,也就是计算船在人在空中时后退的距离,以及人落到船上后,船前进的距离。当然结果肯定跟我们上面算出来的一样是零,但我们不妨试试看看这个笨办法如何。

首先,我们列出水中质量为 m、初始速度为 v_0 的船的运动方程(低速线性阻力),

$m \frac{dv }{dt} = -kv$

解出

$v = v_0 \ e^{-\frac{k}{m}t}$

对此积分,得到船的运动位移:

$S(t) = -v_0 \frac{m}{k} (e^{-k\ t/m}-1)$

有了上面的结果,剩下就是代数了。为此,假设人质量为m, 船质量为 M , 人向前跳水平速度为 V_0,人滞空时间为 T,则在人滞空期间船的位移是

$S(T) = V_0 \frac{m}{M} \frac{M}{k} (e^{-k\ T/M}-1)$

船速在T时减到

$V(T) = -V_{0}\frac{m}{M} e^{-kT /M}$

人落到船上后,人船的速度为(总动量除以总质量)

$V^\prime = (m V_0 + M \ V(T)) /(m+M) = V_0 \frac{m}{m+M} (1- e^{-kT/M})$

用这个速度代入上面的位移公式,时间无穷:

$S^\prime(\infty) = V^\prime \frac{m+M}{k} = V_0 \frac{m}{m+M} (1-e^{-kT/M}) \frac{m+M}{k} \\= V_0 \frac{m}{k} (1-e^{-kT/M})$

船运动的总位移为

$d = S(T) + S^\prime(\infty) =0$

QED.


至此,我们的蛮力计算得到了同样的结果。虽然我是直接敲,但是还是得看着式子进行。



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